2021年09月26日 | 步进电机的主要特性与基本特性

现在制造工业技术的发展，到处都离不开步进电机，步机电机的生产程序是一项非常繁琐的事情，要求生产制造人员不仅要对机械、电机行业了解，还涉及到了许多电子与计算机方面的知识，步进电机主要是通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。要是片面从电流来考虑如何配驱动器，那肯定是不合适的。虽然步进电机已被广泛地应用，所以用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电机的主要特性

1 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

2 腾龙版步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度， 需要48 个脉冲完成。

3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。

因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。

步进电机的基本特性

一、静态转矩特性

步进电机的线圈通直流电时，带负载转子的电磁转矩（与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩）与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性，这就是电机的静态特性。如下图所示：

因为转子为永磁体，产生的气隙磁密为正弦分布，所以理论上静止转矩曲线为正弦波。此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标，最大转矩越大越好，转矩波形越接近正弦越好。实际上磁极下存在齿槽转矩，使合成转矩发生畸变，如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波，加在正弦的静止转矩上，则上图所示的转矩为：

TL=TMsin［（θL/θM）π/2］

其中TL与TM各表示负载转矩和最大静止转矩（或称把持转矩），相对应的功率角为θL和θM，此位移角的变化决定了步进电机位置精度。根据上式得到：

θL=（2θM/π）arcsin（TL/TM）

PM型永磁步进电机和HB混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即：θs=180°/PNr，角度改为机械角度（弧度），则变成下式：

θs=π/（2Nr）

上式Nr为转子齿数或极对数，所以两相电机θM=θs。

负载转矩为电磁转矩的负载（如弹簧力或重物的提升力等），电机如要正反向运动，会产生2θL的角度偏差，要提高位置精度，θL就要小，因此，依据式θL=（2θM/π）arcsin（TL/TM），应选择最大静止转矩Tm大、步距角θs小的步进电机，即高分辨率电机。根据式θs=π/（2Nr）可知，要使θs越小，Nr越大越好。

另外，高分辨率的步进电机的转子结构大致分为PM型、VR型、HB型三种，其中HB型分辨率最好。

由于PM型定子磁极为爪级结构的关系，定子磁极数的增加受到机械加工的限制。HB型转子表面无齿，N极与S极在转子表面交替磁化，因此极数即为极对数Nr，同样的，转子磁极Nr的增加也受到充磁机械的限制。VR型转子齿数与HB型相同时，因不使用永磁体，虽有相同的Nr，但是步距角θs为HB型的2倍，并且由于无永磁磁极，最大转矩Tm比HB型小。

当两相步进电机外径为42mm左右时，Nr=100齿，步距角0.9°，这 是实际使用中最高的分辨率。Nr变大，电抗也增加，则高转速下转矩会下降。因此，Nr=50，步距角为1.8°的电机被广泛使用。对HB型结构，全步进状态的步距角精度为士3%，步进电机运行角度θ=nθs，各步运行中无累积误差，电机的速度如足够大，尽可能提高n（θs小），以提高位置定位精度。

二、动态转矩特性

动态转矩特性包括驱动脉冲频率-转矩特性和驱动脉冲频率-惯量特性。

1、脉冲频率-转矩特性

脉冲频率-转矩特性是选用步进电机的重要特性。如下图所示，纵轴为动态转矩（dynamic torque），横轴取响应脉冲频率，响应脉冲频率用pps（pulse per second）作为单位，即每秒的脉冲数表示。

如图所示，步进电机的动态转矩产生包括失步转矩（pull-out-torque）和牵入转矩（pull-in-torque）两个转矩。前者称为失步或丢失转矩，后者称为起动或牵入转矩。牵入转矩范围为从零到最大自起动脉冲频率或最大自起动频率区域。牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行，在牵入与失步区域之间为运转区，电机在此区域内可带相应负载同步连续运行，超出范围的负载转矩将不能连续运行，出现失步现象。步进电机为开环驱动控制，其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度，其值应为50%~80%。

失步转矩与牵入转矩在0pps时相等。随着控制脉冲频率的增加，带负载能力会下降。在运行开始，控制脉冲频率应缓慢增加，以便利用低速下的大转矩，提供电机在低速运行时需要的加速转矩，减少加速时间。步进电机定子线圈的电感设计的越小，最大响应脉冲频率就越大，这样就可将慢加速驱动变为快加速驱动运行。

2、脉冲频率-惯量特性

步进电机在带惯性负载快速起动时，须有足够的起动加速度。因此如负载的惯量增加，则起动脉冲频率就下降，为此，在选择步进电机时对两者要进行综合考虑。

下图纵轴为最大自起动频率，横轴为负载惯量，曲线表示负载惯量与最大自起动脉冲频率之间的关系。此处以PM型爪极步进电机（两相，步距角7.5°）为例。负载PL下，最大自起动脉冲频率PL与负载惯量Jc的关系如下：

式中，JR步进电机转子惯量，Ps为空载的最大自起动频率。

3、暂态转矩特性

由于步进电机转子惯量作用，即使空载运行一步，也会产生超越角（over-shoot），并在超越角与返回角（under-shoot）之间来回振荡，经过哀减后静止于所定角度，此为步进电机暂态响应特性。

下图表示步进电机的暂态特性，纵轴取转子移动角度，横轴为时间。△T为上升时间，△θ表示超越角，转子自由静止到设定位置的时间（通常到达步距角的士5%误差范围的时间）称为稳定时间（setting TIme）。

稳定时间越短，快速性越好，为了加快机构的运行速度，使稳定时间变短，步进电机的阻尼（制动）变得很重要。